Transformations and pathways of Southern Ocean waters into the South Atlantic Ocean

Abstract

[eng] The returning limb of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is partly supplied by the cold-fresh waters that enter through the Drake Passage. Up to the isoneutral 28.0 kg m−3, the mean water inflow through the Drake Passage to the Scotia Sea is 140.8 ± 7.4 Sv and the outflow through the Northern Passages is 115.9 ± 8.3 Sv. Below this isoneutral reference and down to 2000 m, an additional 23.4 Sv enters through the Drake Passage. The mean barotropic contribution always represents over half the total transports, with substantial seasonal and moderate interannual variability in the water transports. The water mean-residence time is about 6 - 8 months. Combining the Argo floats data with other observational measurements, we apply a climatological high-resolution inverse model over the Scotia Sea boundaries up to the 28.0 kg m-3 isoneutral. The ACC enters 136.7 ± 1.0 Sv through the Drake Passage and exits 137.9 ± 1.0 Sv through the northern boundary, with the difference responding to the South Scotia Ridge and Philip Passages contributions. Along its northward path, the ACC waters lose heat but gain equatorward freshwater transport. Within the Scotia Sea, the surface-modal and modal-intermediate waters experience production in all biogeochemical variables. Finally, regarding anthropogenic DIC, the Scotia Sea stores 0.123 Pg C yr-1. Then, the ROD method compares actual drifters' displacements with numerical trajectory predictions; the observed-predicted differences in final positions respond to diffusive motions not captured by the numerical models. The ROD method is applied in the western South Atlantic Ocean leading to maximum diffusivities of 4630 - 4980 m2 s-1 in the upper 200 m of the water column, presenting an inverse relationship with depth. The diffusivities near the surface are fairly constant in latitude but the diffusion coefficients at 1000 m decrease considerably south of the Southern Boundary. With the horizontal diffusion coefficients obtained previously, we use the Lagrangian technique to determine the fraction of the upper-ocean transport that remains in the ACC flow as it crosses the South Atlantic Ocean and the fraction that contributes to the South Atlantic subtropical gyre. The mean results reveal that 94.8 Sv remains in the ACC, whereas a total of 15.1 Sv contributes directly to the AMOC. This AMOC transport takes a median of 14.3 years to arrive to the Brazilian Current from the Drake Passage. Furthermore, 78.1% of the particles that recirculate in the subtropical gyre perform one recirculation. The results confirm that the water masses entering the subtropical gyre through its eastern edge warm up substantially and lose density, partly transformed to surface waters.

Furthermore, the contributions at the eastern edge of the South Atlantic subtropical gyre from the warm-water and the cold-water routes are compared. We perform numerical simulations of Lagrangian trajectories to identify the multiple direct and indirect pathways of intermediate waters. The total cold-route contribution represents between 17.9 and 18.9%, substantially higher than the 7.1 to 12.3% warm- route contribution. Several individual pathways form both routes, but the direct path is the preferential pathway followed by 83.6 to 87.2% of the water parcels. The direct cold route is the one that undergoes a greater transformation of its water masses, and it is confirmed that also feeds the Agulhas Current, contributing similarly to that coming from the Indonesian Throughflow.

[cat] La branca de retorn de la circulació meridional de l'Atlàntic (AMOC) és parcialment sustentada per les aigües fredes i fresques que procedeixen de l'oceà Pacífic a través del passatge de Drake. Fins a la isoneutra de 28.0 kg m-3, l'entrada d'aigua mitja a través del pas de Drake cap al mar de Scotia és de 140.8 ± 7.4 Sv mentre que la sortida a través dels passos del Nord correspon a 115.9 ± 8.3 Sv. La seva component barotròpica mitjana sempre representa més de la meitat dels transports totals, amb una variació interanual moderada i estacional considerable en els transports d'aigua. El temps mig estimat de residència en el mar de Scotia és d'uns 6 - 8 mesos. Combinant les dades de boies Argo amb altres mesures observacionals, s’ha aplicat un model invers climatològic en els límits de el mar de Scotia amb la finalitat de definir el flux d'entrada i sortida de la ACC fins a la isoneutra de 28.0 kg m-3. Exactament, 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entren pel pas de Drake i surten 137.9 ± 1.0 Sv pel límit nord. Al llarg de la seva trajectòria cap al nord, les aigües del ACC perden calor però guanyen transport d'aigua dolça. Dins del mar de Scotia, les aigües superficials-modals i les superficials-intermèdies experimenten producció en totes les variables biogeoquímiques. Finalment, en quant al DIC antropogènic, el mar de Scotia emmagatzema 0.123 Pg C any-1. Després, el mètode ROD compara els desplaçaments reals dels derivadors amb les trajectòries de les partícules simulades amb els models numèrics; les diferències observades-predites en les posicions finals responen a moviments difusius no capturats pels models numèrics. El mètode ROD és aplicat a l'Atlàntic Sud occidental obtenint difusions màximes de 4630 - 4980 m² s-1 en els primers 200 m de la columna d'aigua, presentant una relació inversa amb la profunditat. Prop de la superfície, els coeficients de difusió són bastant constants en latitud, no obstant això a 1000 m els coeficients disminueixen considerablement al sud del front Límit Sud. Amb els coeficients de difusió horitzontal obtinguts anteriorment, realitzem simulacions Lagrangianes per a determinar quina fracció de transport roman en el ACC i quina quantitat de transport es desvia al nord per a alimentar el gir subtropical de l'Atlàntic Sud. Els resultats mitjans revelen que 94.8 Sv romanen en el ACC, mentre que un total de 15.1 Sv contribueixen directament a la AMOC. Aquest transport que s'incorpora a la AMOC triga una mediana de 14.3 anys en arribar al corrent del Brasil. Els resultats confirmen que les masses d'aigua que entren al gir subtropical per la vora oriental s'escalfen substancialment i la majoria perden densitat, parcialment

transformades en aigües superficials, mentre que les masses d'aigua que romanen a l'ACC es transfereixen en gran mesura a les capes superficials i profundes. A més, s’han comparat les contribucions de la ruta càlida i la ruta freda en el marge oriental del gir subtropical de l'Atlàntic Sud. Amb aquesta fi, realitzem simulacions numèriques per a identificar les múltiples vies directes i indirectes de les aigües intermèdies. La contribució total de les aigües de la ruta freda representa entre un 17.9 i 18.9%, sent substancialment major que el 7.1 i 12.3% de la contribució per part de la ruta càlida. Totes dues rutes estan formades per múltiples vies individuals però la via directa és la via preferent seguida pel 83.6 – 87.2% de les parcel·les d'aigua, sent la ruta freda directa la que sofreix una major transformació de les seves aigües.

[spa] La rama de retorno de la circulación meridional del Atlántico (AMOC) es parcialmente sustentada por las aguas frías y frescas que proceden del océano Pacífico a través del pasaje de Drake. Hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3, la entrada de agua media a través del paso de Drake hacia el mar de Scotia es de 140.8 ± 7.4 Sv mientras que la salida a través de los pasos del Norte corresponde a 115.9 ± 8.3 Sv. Su componente barotrópica media siempre representa más de la mitad de los transportes totales, con una variación interanual moderada y estacional considerable en los transportes de agua. El tiempo medio estimado de residencia en el mar de Scotia es de unos 6 - 8 meses. Combinando los datos de boyas Argo con otras medidas observacionales y aplicando un modelo inverso climatológico en los límites del mar de Scotia con el fin de definir el flujo de entrada y salida de la ACC hasta la isoneutra de 28.0 kg m-3 se estima que 136.7 ± 1.0 Sv del ACC entran por el paso de Drake y salen 137.9 ± 1.0 Sv por el límite norte. A lo largo de su trayectoria hacia el norte, las aguas del ACC pierden calor pero ganan transporte de agua dulce. Dentro del mar de Scotia, las aguas superficiales- modales y las superficiales-intermedias experimentan producción en todas las variables biogeoquímicas. Finalmente, en cuanto al DIC antropogénico, el mar de Scotia almacena 0.123 Pg C año-1. El método ROD compara los desplazamientos reales de los derivadores con las trayectorias de las partículas simuladas en modelos numéricos; las diferencias observadas-predichas en las posiciones finales responden a movimientos difusivos no capturados por los modelos numéricos. Dicho método es aplicado en el Atlántico Sur occidental obteniendo difusiones máximas de 4630 - 4980 m² s-1 en los primeros 200 m de la columna de agua, presentando una relación inversa con la profundidad. Cerca de la superficie, los coeficientes de difusión son bastante constantes en latitud, sin embargo, a 1000 m los coeficientes disminuyen considerablemente en el sur del frente Límite Sur. Con los coeficientes de difusión horizontal anteriores, se realizan simulaciones Lagrangianas para determinar qué fracción de transporte permanece en la ACC y qué cantidad de transporte se desvía en el norte para alimentar el giro subtropical del Atlántico Sur. Los resultados medianos revelan que 94.8 Sv permanecen en la ACC, mientras que un total de 15.1 Sv contribuyen directamente a la AMOC. Este transporte que se incorpora a la AMOC tarda una mediana de 14.3 años al llegar al corriente del Brasil. Los resultados confirman que las masas de agua que entran al giro subtropical por el borde oriental se calientan sustancialmente y la mayoría pierden densidad, parcialmente transformadas en aguas superficiales, mientras que las masas de agua que

permanecen a la ACC se transfieren en gran medida a las capas superficiales y profundas. En cuanto a las contribuciones de la ruta cálida y la ruta fría en el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Sur, se realizan simulaciones numéricas para identificar las múltiples vías directas e indirectas de las aguas intermedias. La contribución total de las aguas de la ruta fría representa entre un 17.9 y 18.9%, siendo sustancialmente mayor que el 7.1 y 12.3% de la contribución por parte de la ruta cálida. Ambas rutas están formadas por múltiples vías individuales pero la vía directa es la vía preferente seguida por el 83.6 – 87.2% de las parcelas de agua, siendo la ruta fría directa la que sufre una mayor transformación de sus aguas.